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2019-2020年高中化學專題一多樣化的水處理技術第二單元硬水軟化學案蘇教版選修 1．知道硬水和軟水，了解水的硬度、暫時硬度和永久硬度，知道硬度的表示方法和簡單的測定方法。 2．了解加熱法、藥劑軟化法、離子交換法軟化硬水的原理。 3．了解硬水對生產生活用水的影響。能用相關化學知識解釋日常生活中一些和水的硬度有關的現象。 各個品牌的礦物質水在市場上一直賣得很火。很少有人追問，在水中添加礦物質類的食品添加劑，有必要嗎？會安全嗎？消費者一般把礦物質水等同于礦泉水，以為對人體有益。南方某報發(fā)表大篇幅文章，對某品牌礦物質水進行“揭秘”，稱其為“靠添加劑賺大錢”；同題配發(fā)一幅漫畫更是形象生動，將該品牌礦物質水描畫成直接從水龍頭放水裝瓶，然后貼上礦物質水的標簽。專家呼吁，國家應通過立法或行政規(guī)范的形式，禁止在飲用水中添加食品添加劑，保障國民飲水安全。 思考：純凈水能長期飲用嗎？礦物質水有利于健康嗎？ 提示：純凈水中沒有人體必需的礦質元素，礦物質水的酸堿度不符合要求，對人體健康不利。 一、暫時硬度和永久硬度 1．天然水中鈣、鎂離子的作用 天然水中含有鈣、鎂等離子，含有少量Ca2＋、Mg2＋的水對人體是有利的。Ca2＋可以補充牙齒和骨骼所需要的鈣，Ca2＋、Mg2＋能減緩鐵制輸水管道上鉛的溶出。但有些地區(qū)的天然水中含有較多的鈣、鎂離子，這種水叫做硬水。這種水不宜洗滌衣物。工業(yè)鍋爐若使用硬水，容易沉積水垢。鍋爐壁上形成水垢后，不但浪費燃料，甚至可能引起鍋爐爆炸。 2．硬水和軟水 硬水：含有較多Ca2＋、Mg2＋的水。 軟水：含有少量Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水。 3．暫時硬度和永久硬度 暫時硬度：水的硬度是由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2引起的。 永久硬度：水的硬度是由鈣、鎂的硫酸鹽或氯化物等引起的。 天然水大多同時具有暫時硬度和永久硬度。 二、硬水軟化 硬水軟化的方法通常有加熱法、藥劑法和離子交換法等。 1．具有暫時硬度的水可用加熱法進化軟化。 2．具有永久硬度的水可采用藥劑法和離子交換法進行軟化。 (1)常用化學藥劑有純堿和石灰等，其原理可表示為： Ca2＋＋CO===CaCO3↓ CaO＋H2O===Ca(OH)2 Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ (2)離子交換法軟化硬水的原理。 硬水先后通過分別裝有陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂的離子交換柱。硬水中的Ca2＋、Mg2＋等陽離子和HCO、Cl－、SO等陰離子先后與交換樹脂中的H＋、OH－起離子交換作用，從而使硬水軟化。有關反應如下： 2RSO3H＋Ca2＋===(RSO3)2Ca＋2H＋ RN(CH3)3OH＋Cl－===RN(CH3)3Cl＋OH－ H＋＋OH－===H2O (3)離子交換法的特點和應用。 ①特點：離子交換樹脂使用一段時間后就失去了軟化硬水的能力。可用強酸或者強堿的稀溶液處理使之再生，即發(fā)生上述離子交換反應的逆反應。這種軟化硬水的方法具有比藥劑軟化法質量高、設備簡單、占用面積小、操作方便等優(yōu)點。 ②應用：離子交換法是目前常用的硬水軟化方法，使用比較普遍。例如軟化機軟化水和實驗室去離子水的制備。 思考討論：一條柔軟的毛巾，用久了，就會變得又干又硬，這是怎么回事呢？如何處理？ 提示：在我們的生活用水中，往往溶解有許多種礦物質，其中含鈣、鎂鹽較多的水叫硬水。自來水、河水和井水都是天然硬水。洗臉用的香皂中的主要成分，溶于水后會和鈣、鎂結合，形成不溶于水的沉淀物。時間久了，這些沉淀物就會一點一點地積存在纖維中間，使毛巾變得干硬。把發(fā)硬的毛巾放進醋水中煮，能使沉淀物脫落，毛巾會重新變軟。 1．硬水的分類及危害 如果水的硬度是由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2所引起的，這種硬度叫做暫時硬度；如果水的硬度是由鈣和鎂的硫酸鹽或氯化物等引起的，這種硬度叫做永久硬度。天然水大多同時具有暫時硬度和永久硬度。 水的硬度過高對生活和生產都有害處。例如，洗滌用水如果硬度太高，水中的Ca2＋、Mg2＋與肥皂反應生成不溶于水的物質，不僅浪費肥皂，也洗不干凈衣物。在工業(yè)上對水的硬度也有要求，如鍋爐用水如果硬度太高，長期燒煮后，水里的鈣鹽和鎂鹽會在鍋爐內結成鍋垢，使鍋爐內金屬管道的導熱能力大大降低，不但浪費燃料，而且會導致管道局部過熱，使鍋爐管道變形或損壞，嚴重時會引起爆炸事故。所以硬水的軟化非常重要。 拓展思考1：水為什么存在硬度？ 提示：天然水與空氣、巖石和土壤等長期接觸，其中溶解了許多雜質，如無機鹽類、某些可溶性有機物以及氣體等，通常含有Ca2＋、Mg2＋等陽離子和HCO、CO、SO、Cl－、NO等陰離子。不同地區(qū)的天然水里含有這些離子的種類和數量不同。一般地說，地下水、泉水中含Ca2＋、Mg2＋較多，而雨水、河水、湖水中含Ca2＋、Mg2＋少一些。通常按水中Ca2＋、Mg2＋的多少，把天然水分為硬水和軟水。含有較多Ca2＋、Mg2＋的水叫做硬水；含有少量Ca2＋、Mg2＋或不含Ca2＋、Mg2＋的水叫做軟水。 2．硬水軟化的方法 硬水軟化的方法通常有加熱法、藥劑法和離子交換法等。 (1)具有暫時硬度的水可以用加熱的方法進行軟化。 Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O Mg(HCO3)2MgCO3↓＋CO2↑＋H2O MgCO3＋H2OMg(OH)2↓＋CO2↑ (2)具有永久硬度的水可采用藥劑法和離子交換法進行軟化。 藥劑法通過向硬水中加入適當的化學藥劑，與Ca2＋、Mg2＋發(fā)生化學反應，使Ca2＋、Mg2＋以沉淀的形式分離出來，達到軟化硬水的目的。 常用的化學藥劑有純堿、石灰等。對于工業(yè)鍋爐用水，還有一種用磷酸鹽作藥劑的處理方法，使沉淀物懸浮在水中而不結垢。 離子交換法是利用離子交換反應原理，軟化硬水的方法。其中常用的一種為磺化煤(NaR)作離子交換劑： 2NaR＋Ca2＋===CaR2＋2Na＋ 2NaR＋Mg2＋===MgR2＋2Na＋ 用8%～10%的食鹽溶液浸泡可使失去軟化能力的磺化煤再生：CaR2＋2Na＋===2NaR＋Ca2＋。 拓展思考2：用離子交換樹脂軟化硬水，是先將水通過陽離子交換樹脂，還是先通過陰離子交換樹脂？為什么？ 提示：用離子交換樹脂軟化硬水的時候先讓水通過陽離子交換樹脂，這樣硬水中的Ca2＋、Mg2＋等陽離子先與陽離子交換樹脂中的H＋起離子交換作用，然后硬水中的HCO、Cl－、SO等陰離子與陰離子交換樹脂中的OH－起離子交換作用。若順序反過來，則硬水中的Ca2＋、Mg2＋等陽離子與陰離子交換樹脂中的OH－起反應，而生成沉淀，影響離子交換的效率。 知識點1 暫時硬度和永久硬度 【例題1】下列說法正確的是(　　)。 A．軟水中一定不含Ca2＋、Mg2＋ B．硬水經煮沸后就一定變?yōu)檐浰? C．水垢的主要成分是碳酸鈣和氫氧化鎂 D．經過磺化煤處理過的水是不含離子的超凈水 解析：硬水與軟水的區(qū)分是Ca2＋、Mg2＋含量的多與少，不是有與沒有，故A項不對；煮沸的過程是Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的分解以及MgCO3轉變?yōu)镸g(OH)2的過程，故C項對；煮沸時能使含暫時硬度較高的硬水中的Ca2＋、Mg2＋濃度降低，但不一定能降低到軟水中Ca2＋、Mg2＋的含量標準，更何況有的硬水中的硬度更多是由于永久硬度造成的，故B項不對；磺化煤只能交換陽離子，水中還含有多種陰離子和交換出的大量Na＋，故D項不對。 答案：C 知識點2 硬水軟化 【例題2】某種純凈水生產線的主要工藝流程如下圖所示： 閱讀該純凈水生產線的有關資料后回答問題： 資料：反滲透器的核心部件是RO芯，RO芯是由多層反滲透復合膜組成的，原用于太空宇航員進行廢水再生。RO芯的孔徑很小，大約是普通細菌的1/600，細小固體，有機物雜質不能透過，簡單離子、水可以通過。生產時為保證成品的質量，通?？刂扑畨菏钩善樊a率在50%左右。 RO芯部分工作參數如下： 硬度 鐵 游離氯 有機物 … ＜1.7 mgL－1 ＜0.1 mgL－1 0.1 mgL－1 ＜1 mgL－1 … (1)純凈水一定是不含任何雜質的水嗎？ (2)許多食品、飲料都以大腸桿菌的含量作為衛(wèi)生標準之一，主要原因是什么？ (3)純凈水的國家標準中，“霉菌、酵母菌”為“不得檢出”，“大腸桿菌”為“≤3MPN/100 mL”，主要原因是什么？ (4)水中的Ca2＋和Mg2＋是引起水的硬度的主要因素，硬度的表示方法是：將水中的Ca2＋和Mg2＋都看作Ca2＋，并將其質量折算成1 L水中含有的CaO的質量?？捎靡欢舛鹊腨溶液進行滴定，Y跟Ca2＋和Mg2＋都以等物質的量完全反應。該工廠現用地下水生產純凈水，取地下水樣品25.00 mL，用0.010 00 molL－1Y溶液滴定，完全反應時消耗Y溶液15.00 mL。試判斷該地下水是否可直接用來生產純凈水？ 解析：本題為一道關于水及污水處理的綜合題，其中前面三問可根據教材中的知識進行類比回答，而第四問則需要列式計算。純凈水是含有少量雜質的水，所以也是軟水；食品和飲料最容易受到的污染就是大腸桿菌，它反映了飲用水被污染的程度。 (4)設鈣離子的物質的量為x。 Ca2＋?。　―→　CaY2＋ 1 mol 　　 1 mol x 　　　　 0.010 00 molL－115.0010－3 L 解得：x＝1.510－4 mol，則1 L水中含有鈣離子的物質的量n(Ca2＋)＝1.510－4 mol，進一步可計算出氧化鈣的質量m(CaO)＝56 gmol－11.510－4 mol＝33610－3 g＝336 mg。 答案：(1)純凈水也可能含有少量的雜質。 (2)①人類的糞便中約有為大腸桿菌；②它的含量反映了飲用水等被污染的程度。 (3)①前者為真核細胞，后者為原核細胞；②后者的體積比前者小得多。 (4)該地下水的硬度為336 mgL－1，不符合要求。 點撥：生活中存在的實際問題，又與物理、化學及經濟問題聯系起來，是培養(yǎng)我們分析和解決實際問題的好素材，有利于我們學習關注社會，學會獨立核算，學會科學決策。首先熟練掌握教科書中的有關知識，弄清凈化水的原理、常用的消毒滅菌的試劑，結合題意就可回答有關的問題。 1下列廣告用語在科學上沒有錯誤的是(　　)。 A．這種飲料中不含任何化學物質 B．這種蒸餾水絕對純凈，其中不含任何離子 C．這種口服液含豐富的氮、磷、鋅等微量元素 D．沒有水就沒有生命 解析：解答本題要聯系實際，飲料中至少含有水，水就是一種化學物質。且無論如何純凈的水都存在水的電離，都有H＋、OH－。氮、磷是農作物生長所必需的成分，而非口服液的成分，且氮、磷不是微量元素。水在各種動植物體中都占有相當大的百分含量，所以沒有水就沒有生命。 答案：D 2用下列方法除去含Ca2＋、Mg2＋、Cl－、HCO的硬水，所得的水中含離子濃度最小的是(　　)。 A．蒸餾 B．加熱煮沸 C．加Ca(OH)2與Na2CO3 D．離子交換法 解析：蒸餾過程中，只有水被蒸出。 答案：A 3現有三瓶試劑，其中分別為蒸餾水、暫時硬水、永久硬水，請自選試劑設計一個簡單的實驗，將其區(qū)別開來。 解析：暫時硬水中含有較多的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，加熱即有沉淀生成；而永久硬水中含有較多的CaCl2、MgCl2、MgSO4、CaSO4等，加熱不會出現沉淀，只有加入肥皂水或Na2CO3等才會有沉淀。 答案：取三種水少許，分別置于三支試管中，加熱，產生沉淀的為暫時硬水；再向剩余兩支試管中加肥皂水或Na2CO3溶液，產生白色沉淀的是永久硬水，無現象的是蒸餾水。